建筑结构隔震减震技术研究

2011-08-15洪鑫

山西建筑 2011年11期

洪鑫

0 引言

地震是最严重的自然灾害之一，唐山地震、汶川地震、智利地震等一系列大地震产生的震动无论从力度、能量、破坏、灾害诸方面来说是最严重的，给人们带来了巨大的生命财产损失。地震中建筑物的大量破坏与倒塌，是造成地震灾害的直接原因。所以工程结构抗震设计的目的是减轻结构的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失。

传统的抗震结构体系通过增强结构本身性能来抵御地震作用，由结构本身储存和消耗能量来满足结构的抗震设防要求。但人们不能准确地估计结构未来可能遭遇的地震的强度和特性，结构的抗震性能不具备自我调节与自我控制能力，因此在这种不确定性的地震作用下，结构不能满足安全性的要求，而隔震、耗能减震与其他结构控制技术却能为结构控制提供有效、经济、简单、可靠的抗震方法。它通过在结构上设置控制机构，由控制机构与结构共同控制、抵御地震等动力荷载，使结构的动力反应减小。在地震工程中，隔震减震大大降低了地震的作用，能有效控制地震灾害，因此，隔震与减震相结合确实是一种不错的发展趋势。

如今许多国家采用的诸多结构抗震装置系统，有些是以隔震为目的，有些是以减震为目的，也有些是以隔震、减震组合效应为目的。无论采用哪种原理，其目的都是为了减轻和消弱地震能。随着社会的进步，对结构物提出了比以往更严格的抗震安全性和适用性要求，而传统的结构消极抗震设计方法，越来越难于满足这些要求。为此，各国地震工程学家一直在寻求新的结构抗震设计途径，以隔震、减震、制震技术为特点的结构控制设计理论与实践，便是这种努力的结果。

1 隔震

隔震的原理：隔震是通过某种装置，将震源与结构隔开，其作用是减弱或改变地震动对结构作用的强度和方式，以此达到减小结构振动的目的。隔震技术的分类：隔震技术的分类方法多种多样，按固定或绝缘的方法，在地基和上部结构之间进行分类，具体可根据其对象不同分为3类。

1.1 地基隔震

地基隔震分为绝缘和屏蔽两种：

1)绝缘是希望在地基自身中降低输入波的方法，从而达到隔震的目的，软弱地基或像人工地基那样较软的地基有降低输入加速度的性质。高刚性基础则还可利用地下逸散减震。

2)屏蔽是在建筑物周围挖深沟或埋入屏蔽板等将卓越长周期的剪切波(S波)隔断的方法，但这种方法不能屏蔽直下型输入波。

1.2 基础隔震

所谓基础隔震是在上部结构与基础之间安装隔震系统，将基础和上部结构隔离开来，以减小水平地面运动向上部结构的传递，从而达到减小上部结构振动的目的。可分为周期延长、能量吸收和绝缘等方法。

1.3 上部结构隔震

上部结构的隔震方法分为能量吸收和附加振动体两种形式。能量吸收型是在建筑物的任意层设置弹塑性阻尼器、粘性体阻尼器、油阻尼器或摩擦阻尼器等各种阻尼器以吸收地震能量。附加振动体形式则是在建筑物的任意层上加设振动体，构成新的振动体系，将振动由结构物本身向附加振动体转移。

2 减震

减震的原理：减震是根据结构的地震反应，通过自动控制系统的执行机，主动给结构施加控制力，达到减小结构振动的目的。从控制理论的观点看，结构减震方法又可分为两大类：

1)被动控制方法。这种方法无外部能源供给，也称无源控制技术。包括隔震技术和减震技术(如抗震消能技术等)。

2)主动控制方法。这种方法有外部能源供给，也称有源控制技术。

目前实际应用的结构抗震方法有隔震、减震，其中以隔震方法应用最广。这两种方法的研究和应用开始于20世纪60年代，70年代以来发展很快。这些积极的结构抗震方法与传统的消极抗震方法相比，有以下优点：

1)能大大减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不受地震破坏，从而减少震后维修费用，对于典型的现代化建筑，非结构构件(如玻璃幕墙、饰面、公用设施等)的造价甚至占整个房屋总造价的80%以上。

2)能大大减小结构所受的地震作用，从而降低结构造价，提高结构抗震的可靠性。此外，隔震方法能够较为准确地控制传到结构上的最大地震力，从而克服了设计结构构件时难以准确确定荷载的困难。

3)隔震、减震装置即使震后产生较大的永久变形或损坏，其复位、更换或维修也要比更换、维修结构方便、经济。

4)用于高技术精密加工设备、核工业设备等的结构物，只能用隔震、减震的方法满足严格的抗震要求。

地震实践、理论研究和实验验证证明，采用隔震结合消能减震技术建造的结构在烈度为7度的地震中所受到的地震力，大致相当于非隔震结构在烈度为5.5度的地震中受到的地震力，结构基本在弹性范围内工作，相应降低了结构的加速度、速度与位移反应，从而减轻或消除了结构构件的损坏，更好地保护了结构。同时，隔震和消能减震设计把非线性、大变形集中到一组构件(隔震支座和阻尼器)上，这样就可以把设计、试验和制造的注意力集中到这些构件上。由于结构处于(或近似于)弹性变形状态，结构分析的方法可以简化，分析更加可靠。

隔震减震技术的应用使得今后设计的建筑可以在地震时保护结构的框架和其他非结构单元，保护结构内的设施、工业设备、人等的安全，使建筑物在地震后可以继续使用。隔震技术改变了目前的结构设计思想，可提供更多的设计方案供人们选择。虽然这些技术尚在发展研究中，但其在工程结构上广泛的应用前景还是相当可观的。

结构减震控制的基本思想从提出到现在已有30余年的时间，相对于世界各国一直采用的延性设计方法，结构减震控制可以认为是结构抗震设计方法的一次革命。日本、美国、中国以及我国台湾地区的众多学者，在该领域进行了大量的理论研究与工程实践工作，一度形成了百花齐放、百家争鸣的局面。其中，日本在减震理论研究、设计方法、产品研发以及实际工程应用等方面总体处于领先位置。结构减震控制的基本原理多种多样，减震装置的类型名目繁多，减震控制方法已可应用于绝大多数的结构类型，从建筑到桥梁，从超高层结构到多层结构，从钢筋混凝土结构到钢结构。在众多的减震技术中，研究比较成熟、经得起实践检验的主要是隔震与消能减震技术。隔震技术的减震效果在所有的减震技术中是首屈一指的，但其应用范围也相对较窄，不太适用于超高层或高宽比较大的建筑，我国大陆最高的隔震建筑也只有19层。目前需要重点研究的内容包括：1)高层建筑的隔震设计方法;2)考虑土—基础—结构共同作用的隔震结构受力分析; 3)高阻尼橡胶隔震支座、滑移支座的开发等。消能减震技术的减震效果一般不如隔震技术，但其适用范围非常广泛，目前需要重点研究的内容包括：1)消能减震结构的实用设计方法;2)各类新型阻尼器的研制和标准化等。